Quantentechnologien verändern unser Verständnis des Universums radikal. Eine neue Technologie sind makroskopische mechanische Oszillatoren, Geräte, die in Quarzuhren, Mobiltelefonen und Lasern für die Telekommunikation von entscheidender Bedeutung sind. Im Quantenbereich könnten makroskopische Oszillatoren hochempfindliche Sensoren und Komponenten für Quantencomputer ermöglichen und neue Möglichkeiten für Innovationen in verschiedenen Branchen eröffnen.
Die Steuerung mechanischer Oszillatoren auf Quantenebene ist für die Entwicklung zukünftiger Technologien im Quantencomputing und in der ultrapräzisen Sensorik von entscheidender Bedeutung. Aber sie gemeinsam zu steuern, ist eine Herausforderung, da dafür nahezu perfekte, also identische Einheiten erforderlich sind.
Der Großteil der Forschung in der Quantenoptomechanik konzentrierte sich auf einzelne Oszillatoren und demonstrierte Quantenphänomene wie Grundzustandskühlung und Quantenquetschung. Dies war jedoch beim kollektiven Quantenverhalten nicht der Fall, wo viele Oszillatoren als einer agieren. Obwohl diese kollektive Dynamik der Schlüssel zur Schaffung leistungsfähigerer Quantensysteme ist, erfordert sie eine außergewöhnlich präzise Steuerung mehrerer Oszillatoren mit nahezu identischen Eigenschaften.
Wissenschaftler um Tobias Kippenberg von der EPFL haben nun das lang ersehnte Ziel erreicht: Sie haben sechs mechanische Oszillatoren erfolgreich in einen kollektiven Zustand gebracht, ihr Quantenverhalten beobachtet und Phänomene gemessen, die nur dann auftreten, wenn Oszillatoren als Gruppe agieren. Die Forschung, veröffentlicht In Wissenschaftstellt einen bedeutenden Fortschritt für Quantentechnologien dar und öffnet die Tür zu groß angelegten Quantensystemen.
„Dies wird durch die extrem geringe Störung der mechanischen Frequenzen in einer supraleitenden Plattform ermöglicht, die Werte von nur 0,1 % erreicht“, sagt Mahdi Chegnizadeh, der Erstautor der Studie. „Diese Präzision ermöglichte es den Oszillatoren, in einen kollektiven Zustand zu gelangen, in dem sie sich wie ein einheitliches System und nicht als unabhängige Komponenten verhalten.“
Um die Beobachtung von Quanteneffekten zu ermöglichen, nutzten die Wissenschaftler die Seitenbandkühlung, eine Technik, die die Energie von Oszillatoren auf ihren Quantengrundzustand reduziert – die niedrigste mögliche Energie, die die Quantenmechanik zulässt.
Bei der Seitenbandkühlung wird ein Laser auf einen Oszillator gerichtet, wobei das Licht des Lasers etwas unterhalb der Eigenfrequenz des Oszillators abgestimmt ist. Die Energie des Lichts interagiert mit dem Vibrationssystem auf eine Weise, die ihm Energie entzieht. Dieser Prozess ist für die Beobachtung empfindlicher Quanteneffekte von entscheidender Bedeutung, da er thermische Schwingungen reduziert und das System nahezu zum Stillstand bringt.
Durch die Erhöhung der Kopplung zwischen dem Mikrowellenhohlraum und den Oszillatoren geht das System von individueller zu kollektiver Dynamik über.
„Interessanter ist, dass wir durch die Vorbereitung des kollektiven Modus in seinem Quantengrundzustand eine Quantenseitenbandasymmetrie beobachteten, die das Kennzeichen der kollektiven Quantenbewegung ist. Typischerweise ist die Quantenbewegung auf ein einzelnes Objekt beschränkt, aber hier erstreckte sie sich über das gesamte Oszillatorsystem.“ „, sagt Marco Scigliuzzo, Mitautor der Studie.
Die Forscher beobachteten außerdem erhöhte Abkühlungsraten und die Entstehung „dunkler“ mechanischer Moden, also Moden, die nicht mit dem Hohlraum des Systems interagierten und höhere Energie behielten.
Die Ergebnisse liefern eine experimentelle Bestätigung von Theorien über kollektives Quantenverhalten in mechanischen Systemen und eröffnen neue Möglichkeiten zur Erforschung von Quantenzuständen. Sie haben auch erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der Quantentechnologien, da die Fähigkeit, die kollektive Quantenbewegung in mechanischen Systemen zu steuern, zu Fortschritten in der Quantensensorik und der Erzeugung mehrteiliger Verschränkung führen könnte.
Alle Geräte wurden im Center of MicroNanoTechnology (CMi) der EPFL hergestellt.
Weitere Informationen:
Mahdi Chegnizadeh et al, Quantenkollektive Bewegung makroskopischer mechanischer Oszillatoren, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adr8187. www.science.org/doi/10.1126/science.adr8187